分布式测控网络技术.ppt

第8章分布式测控网络技术,数据通信是工业测控网络和分散型测控系统的关键技术。本章主要介绍工业网络和通信技术、分布式控制系统、现场总线技术、综合自动化技术和分布式测控网络设计举例。,8.1工业网络技术,8.1.1工业网络概述8.1.2数据通信编码技术8.1.3网络协议及其层次结构8.1.4IEEE802标准8.1.5工业网络的性能评价和选型,8.1.1工业网络概述,1.网络拓扑结构网络中互连的点称为结点或站，结点间的物理连接结构称为拓扑，采用拓扑学来研究结点和结点间连线称链路的几何排列。局部网络通常有四种拓扑结构星形、环形、总线形和树形。,（1）星形结构,结构中心结点是主结点，它接受各分散结点的信息再转发给相应结点，具有中继交换和数据处理功能。工作过程当某一结点想要传输数据时，它首先向中心结点发送一个请求，以便同另一个目的结点建立连接。一旦两个结点建立了连接，则在这两点间就象是一条专用线路连接起来一样，进行数据传输。特点①网络结构简单，便于控制和管理，建网容易；②网络延迟时间短，传输错误率较低；③网络可靠性较低，一旦中央结点出现故障将导致全网瘫痪；④网络资源大部分在外围点上，相互结点必须经过中央结点才能转发信息；⑤通讯电路都是专用线路，利用率不高，故网络成本较高。,（2）环形结构,结构各结点通过环接口连于一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环网中，数据按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一结点。工作过程一个结点按事先规定好的方向从一个结点单向传送到另一个结点，当传送信息的目的地值与环上的某结点的地址相等时，信息才被该结点的环接口接收，否则，继续向下传送。特点①信息流在网络中是沿固定的方向流动，故两个结点之间仅有唯一的通路，简化了路径选择控制；②环路中每个结点的收发信息均由环接口控制，控制软件较简单；③环路中，当某结点故障时，可采用旁路环的方法，提高了可靠性；④环结构其结点数的增加将影响信息的传输效率，故扩展受到一定的限制。应用环形网络结构较适合于信息处理和自动化系统中使用，是微机局部网络中常用的结构之一。特别是IBM公司推出令牌环网之后，环形网络结构就被越来越多的人所采用。,（3）总线形结构,结构个结点经其接口，通过一条或几条通讯线路与公共总线连接。其任何结点的信息都可以沿着总线传输，并且能被任一结点接收。由于信息传输方向是从发送结点向两端扩散，因此又称为广播式网络。总线形网络的接口内具有发送器和接收器。接收器接收总线上的串行信息，并将其转换为并行信息送到结点；发送器则将并行信息转换成串行信息广播发送到总线上。当在总线上发送的信息目的地址与某一结点的接口地址相符时，传送的信息就被该结点接收。由于一条公共总线具有一定的负载能力，因此总线长度有限，其所能连接的结点数也有限。,特点①结构简单灵活，扩展方便；②可靠性高，网络响应速度快；③共享资源能力强，便于广播式工作；④设备少，价格低，安装和使用方便；⑤由于所有结点共用一条总线，因此总线上传送的信息容易发生冲突和碰撞，故不易用在实时性要求高的场合。应用总线形结构是目前使用最广泛的结构，也是一种最传统的主流网络结构，该种结构最适于信息管理系统、办公室自动化系统、教学系统等领域的应用。,（4）树形结构,结构分层结构，适用于分级管理和控制系统。特点①通讯线路总长度较短，连网成本低，易于扩展，但结构较星形复杂；②网络中除叶结点外，任一结点或连线的故障均影响其所在支路网络的正常工作。,网络的传输介质就是网络中连接收发双方的物理通路，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有电话线，同轴电缆，双绞线，光导纤维电缆，无线与卫星通信。对于传输介质，包括以下特性物理特性，传输特性，连通特性，地理范围，抗干扰性和相对价格。介质访问控制各结点通过公共通道传输信息，因此存在如何合理分配信道的问题（既充分利用信道的空间和时间，又防止发生各信息间的互相冲突）。访问控制方式的功能就是合理解决信道的分配。常用的传输访问控制方式有三种，即冲突检测的载波侦听多路访问CSMA／CD；令牌环TokenRing；令牌总线TokenBus。三种方式都得到IEEE802委员会的认可，成为国际标准。,2.介质访问控制技术,1冲突检测的载波侦听多路访问CSMA／CD,又称为随机访问技术或争用技术适用于总线形和树形网络结构工作原理当某一结点要发送信息时，首先要侦听网络中有无其它结点正在发送信息，若没有则立即发送；否则，等待一段时间，直至信道空闲，开始发送。确定等待时间的方法①当某结点检测到信道被占用后，继续检测，发现空闲，立即发送；②当某点检测到信道被占用后就延迟一个随机时间，然后再检测。重复这一过程，直到信到空闲，开始发送。冲突的解决方法由于传输线上不可避免的有时间的延迟，有可能多个站同时监听到线上空闲并开始发送，从而导致冲突。因此，当结点开始发送信息时，该结点继续对网络检测一段时间，且把收到的信息和自己发送的信息进行比较，若相同，则发送正常进行；若不同，说明由其它结点发送信息，引起混乱，应立即停止，等待一个随机时间，在重复上述过程。,结论CSMA／CD方式原理较简单，且技术上较易实现。网络中各结点处于同等地位，无需集中控制，但不能提供优先级控制，所有结点都有平等竞争的能力，在网络负载不重情况下，有较高的效率，但当网络负载增大时，发送信息的等待时间加长，效率显著降低。,由于CSMA的访问存在发报冲突问题，而产生冲突的原因是由于各站点发报是随机的。为了解决这种由于“随机”而产生的冲突问题，可采用有控制的发报方式。下面，介绍一种有控制的发报方式令牌发送技术。,令牌环全称为令牌通行环TokenPassingRing，适用于环形网络结构。令牌是控制标志，网中只设一张令牌，并依次沿各结点传送。令牌的两个状态“空”状态表示令牌没有被占用，当其传至正待发送信息的结点时，该结点立即发送，并置令牌为“忙”状态。“忙”状态表示令牌被占用，即令牌正在携带信息发送，当所发信息环绕一周，由发送结点将“忙”令牌置为“空”令牌。工作过程令牌依次沿每个结点传送，使每个结点都有平等发送信息的机会。当一个结点占令牌期间其它结点只能处于接收状态。当所发信息绕环一周，并由发送结点清除，“忙”令牌又被置为“空”状态，绕环传送令牌。当下一结点要发送信息时，则下一结点便得到这一令牌，并可发送信息。令牌环的特点能提供可调整的访问控制方法；能提供优先权服务；有较强的实时性；需对令牌进行维护，令牌丢失降低环路利用率；控制电路复杂。,（2）令牌环TokenRing,,,TokenRing/802.5的操作举例,,,,A,T0,,,T,,,,,A,T0,,T,,,,,A,T1,,T,Data,C,T,Data,C,,T,Data,C,,T,Data,C,,Data,（a）,（b）,（c）,帧循环一圈后A将数据帧回收并放出空令牌,A有数据要发送，它抓住空令牌,A将令牌修改为数据帧，并加挂数据,,,,,,,,,,,,,,,,（3）令牌总线TokenBus,将令牌访问原理应用于总线网，构成令牌总线方式。原理这种方式和CSMA/CD方式一样，采用总线网络拓扑，但不同的是在网上个工作站按一定的顺序形成一个逻辑环。每个工作站在环中均有一个指定的逻辑位置，末站的后站就是首战，即首尾相连。每站都有先行站和后继站的地址，总线上各站的物理地址和逻辑位置无关。工作过程当各站都没有帧发送时，令牌的形式为01111111，成为空标记。当一个站要发送帧时，需要等待空标记通过，然后将它改为忙标志，即01111110。紧跟着忙标记，该站把数据帧发送到环上。由于标记是忙状态，所以其他站不能发送帧，必须等待。接收帧的过程是这样的，当帧通过站时，该站将帧的目的地址和本站的地址相比较，如地址不符合，则不接收数据，同时将帧送入环上。如果符合，则将帧放入接收缓冲器，在输入到站内，同时将帧送回到环上。发送的帧在环上循环一周后再回到发送站，将该帧从环上移去，同时将标记改为空闲标记。,不同于令牌环的是，在令牌总线中，信息可以双向传送、任何结点都能“听到”其它结点发出的信息。为此，结点发送的信息中要有指出下一个要控制的结点的地址。由于只有获得令牌的结点才可发送信息此时其它结点只收不发，因此该方式不要检测冲突就可以避免冲突。特点1.网络必须要有初始化功能，即能够产生一个顺序访问的次序。这就是一个争用的过程，争用的结果是只有一个站能够获得标记，并产生次序。2.当网络中的标志丢失或者产生多个标记时，必须有故障恢复功能。3.必须有消除不活动结点或者添加新的结点的功能。4.吞吐能力大，吞吐量随数据传输速率的提高而增加；5.控制功能不随电缆长度的增加而减弱；6.不需冲突检测信号电压可以有较大的动态范围。７．具有一定的实时性。,采用总线方式网络的连网距离较ＣＳＭＡ／ＣＤ及ＴｏｅｋｎＲｉｎｇ方式远令牌总线缺点节点获得令牌的时间开销较大，一般一个节点经过多次无效的令牌传送后才能获得令牌。,3.信息交换技术,为了提高计算机通信网的通信设备和线路的利用率，有必要研究通信网络上信息交换技术。即如何控制信息传输，才能提高通信效率。在计算机网络中，信息交换方式分为三类线路交换、报文交换、分组交换。,交换原理通过网络中的结点在两个站之间建立一条专用的物理线路进行数据传送，传送结束再“拆除”线路。交换过程例如右图中S1要把报文M1传送给站S3，可以有多条路径，比如路径N1→N2→N3或N1→N7→N3等。首先站S1向结点N1申请与站S3通信，按照路径算法如路径短，等待时间短等，结点N1选择N7为下一个结点，结点N7再选N3为下一个结点，这样站S1经结点N1→N7→N3与站S3建立了一条专用的物理线路。然后站S1向S3传送报文，报文传送周期结束，立即“拆除”专用线路N1→N7→N3，并释放占用资源。线路交换方式的通信分三步建立线路，传送数据，拆除线路。由于建立了一条专用线路，所以报文传送的实时性好，各结点延时小。但是，一旦两站连接起来，即使没有数据传送，别的站也不能用线路上的结点，因而线路的利用率低。为了提高利用率，可采用报文交换。,（1）线路交换,2报文交换仍然以上图中站S1要发报文M1给站S3为例。首先站S1把目的S3的名字附加在报文上，再把报文交给结点N1。结点N1存储这个报文，并且决定下一个结点为N7，但是要在结点N1→N7的线路上传输这个报文，还要进行排队等待。当这段线路可用时，就把报文发送到结点N7。结点N7继续仿照上述过程，把报文发送到结点N3，最后到达站S3。报文交换的优点是线路的利用率高，这是因为许多报文可以分时共享一条结点到结点的线路。并且能把一个报文发送到多个目的站，只需把这些目的站名附加在报文上。由于报文要在结点排队等待，延长了报文到达目的站的时间。,3分组交换,分组交换PacketSwitching综合了线路交换和报文交换的优点。首先将前面所说的报文分成若干个报文段，并在每个报文段上附加传送时所必需的控制信息，如下图所示。这些报文段经不同的路径分别传送到目的站后，再拼装成一个完整的报文。对于这些报文段，称为报文分组，它是分组交换中的基本单位。,分组交换与报文交换的形式差别在于不是以报文为单位，而是以报文分组为单位进行传送。问题是网络如何管理这些报文分组流，一般有两种方法数据报方法，虚电路方法。①数据报Datagram方法类似于报文交换中传送报文，独立地传送报文分组，仍然要选路径，报文分组在节点排队等候，而且同一报文的不同报文分组，可经不同路径传送到目的站。,②虚电路VirtualCircuit方法发送报文分组之前，需要在源站和目的站之间建立一条逻辑线路，它不同于线路交换中的专用物理线路，报文分组仍然要在节点排队等候，它具有虚的性质，称为虚电路。虚电路方法适用于两个站希望在一段连续的时间内交换数据，而数据报方法适用于发送一个或几个报文分组如状态信息、控制信息等。一般地说，分组交换网最好是这两种方法都有，这样可进一步提高通信效率。,4.差错控制技术,差错控制技术包括检验错误和纠正错误，下面介绍两种检验方法奇偶校验和循环冗余校验和三种纠错方式重发纠错、自动纠错和混合纠错。1奇偶校验ParityCheck是一个字符校验一次，在每个字符的最高位之后附加一个奇偶校验位。通常用一个字节b0～b7来表示，其中，b0～b6为字符码位，而最高位b7为校验位。这个校验位可为1或0，以便保证整个字节b0～b7为1的位数是奇数称奇校验或偶数称偶校验。奇偶校验通常用于每帧只传送一个字节数据的异步通信方式。,（2）循环冗余校验CRC校验,校验原理发送端首先发送信息位，与此同时，CRC校验位生成器用信息位除以多项式Gx，信息违发完后，CRC校验位就生成，并紧接其后发送校验位。接收端在接收信息位同时，校验器用接收的信息位除以同一个生成多项式，当信息位接收完后，对接收的CRC校验位也进行计算，当两个字节的校验位接收完，如果除法的余数为0，则认为传输正确；否则，传输错误。适用范围每帧由多个字节组成的同步方式。,（3）纠错方式,重发纠错方式发送端发送能够检错的信息码（如奇偶校验码），接收端根据该码的编码规则，判断有无错误，并把错误结果反馈给发送端。如果发送错，则再次发送，直到接收端认为正确为止。自动纠错方式发送端发送能够纠错的信息码，而不仅仅是检错的信息码。接收端收到该码后，通过译码不仅能自动发现错误，而且能自动地纠错。传输效率低，译码设备复杂。混合纠错方式上述两种混合。发送端发送的信息码不仅能发现错误，而且还由一定的纠错能力。接收端收到该码后，如果错误位数在纠错能力以内，则自动纠错，如果错误过多，则要求重发。,8.1.2数据通信编码技术,通信方式并行通信、串行通信并行通信传送的速度高，但传送的距离很短，通常小于10m；串行通信传送的速度低，但传送的距离很长，通常可达几十至几千米，甚至更远。串行通信可分为异步和同步传送两种。,同步技术同步是指接收端要按照发送端所发送的每个码元的起止时间来接收数据，也就是接收端和发送端要在时间上取得一致。常用的同步方式有两种起停同步技术，与其相对应的传输方式称异步通信方式自同步方式，与其相对应的传输方式称为同步通信方式。,①异步通信方式异步通信方式ASYNC（AsynchronousDataCommunication）每次传送一个字符的数据。用一个起始位表示传输字符的开始，用1至2个停止位表示字符的结束，一个字符构成一帧信息，如图所示。发送端发送时，从低位到高位逐位顺序发送。,图异步通信信息帧格式,异步通信信息帧格式,发送时钟和接收时钟,图发送、接收时钟和信息位,接收端同步接收信息的方法,图接收端同步采样（n16）,异步通信存在的问题在异步通信中，每个字符要用起始位和停止位作为字符开始和结束的标志，因而数据传送效率低。为了保证收、发同步，克服Rc与Tc之间的微小偏差，信息位宽度TdnTc，一般取n为16、32、64等，这样降低了信息传送速率。,②同步通信方式同步通信SYNC（SynchronousDataCommunication）每次传送n个字符的数据块。用一个或两个同步字符表示传送数据块的开始，接着就是n个字符的数据块，字符之间不允许有空隙，当没有字符可发送时，则连续发送同步字符，如图所示。,,同步字符单同步选择一个特殊的8位二进制码（如01111110）作为同步字符，称单同步字符双同步选择两个连续的8位二进制码作为同步字符，称双同步字符为了保证收、发同步，收、发双方必须使用相同的同步字符。,工作过程,图同步通信的编码、解码示意图,与异步通信相比同步通信的信息帧包括同步字符和数据块，而同步字符只有8位或16位，数据块可以任意字节长，所以数据传送效率高于异步通信。发送时钟周期Tc等于传送数据位的宽度相当于异步通信的n1，故信息传送速率也高于异步通信。传送的编码数据中自带时钟信息，保证了收、发双方的绝对同步造成了同步通信的硬件比异步通信复杂。,8.1.3网络协议及其层次结构,在计算机网络中各终端用户之间，用户与资源之间或资源与资源之间的对话与合作必须按照预先规定的协议进行；分层设计方法与接口；,为了实现计算机系统之间的互连，1977年国际标准化组织ISO提出了开放系统互连参考模型OSIOpenSystemInterconnection／ReferenceModel。这个网络层次结构模型规定了七个功能层，每层都使用自己的协议。“开放”这个词是指一个系统若符合这些国际标准的话，它将对世界上遵守同样标准的所有系统开放。OSI层次结构如图所示。,计算机网络的协议层次模型,OSI/RM七层模型示意图,1.物理层物理层并不是物理媒体本身，它只是对通讯双方的机械、电气、连接规程进行规定。功能在信道上传输未经处理的信息。连接两个物理设备，为链路层提供透明位流传输所必须遵循的规则，有时也被称为物理接口。物理层的协议主要提供在DTE数据终端设备和DCE数据通信设备之间的接口。协议RS-232C、RS-422A、RS-423A、RS-485等均为物理层协议。2.数据链路层功能将有差错的物理链路改造成对于网络层来说是无差错的传输链路。具体内容将数据组成数据帧，并在接收端检验传输的正确性。协议同步数据链路控制SDLC、高级数据链路控制HDLC以及异步串行数据链协议都属于此范围。,3.网络层网络层是OSI七层协议模型中的第三层，它是主机与通信网络的接口。网络层也称分组层，它的任务是使网络中传输分组。它以链路层提供的无差错传输为基础，向高层（传输层）提供两个主机之间的数据传输服务。网络层规定了分组第三层的信息单位在网络中是如何传输的。具体内容网络层控制网络上信息的切换和路由选择。因此，本层要为数据从源点到终点建立物理和逻辑的连接。功能控制信息交换、路由选择与中继、网络流量控制、网络的连接与管理等。协议X.25协议、IP协议。,4.传送（传输）层传送层是一真正的源目的或端端层。即在源计算机上的程序与目的机上的类似程序使报头和控制报文进行对话。功能从会话层接收数据，把它们传到网络层并保证这些数据全部正确地到达另一端。具体内容在源主机与目的主机进程之间提供可靠的端端通信，确保能够控制端到端的数据完整性。协议TCP协议5.会话层用户即两个表示层进程之间的连接称为会话。为了建立会话，用户必须提供希望连接的远程地址会话地址，会话双方首先需要彼此确认，以证明它有权从事会话和接收数据，然后两端必须同意在该会话中的各种选择项例如半双工或全双工的确定，在这以后开始数据传输。功能控制建立或结束一个通信会话的进程。具体内容检查并决定一个正常的通信是否正在发生。如果没有发生，这一层在不丢失数据的情况下恢复会话，或根据规定，在会话不能正常发生的情况下终止会话。,6.表示层要解决的问题如何描述数据结构并使之与机器无关。功能通过一些编码规则定义在通信中传送这些信息所需要的传送语法，实现不同信息格式和编码之间的转换。表示层提供两类服务相互通信的应用进程间交换信息的表示方法与表示连接服务。具体内容常用的转换有正文压缩、提供加密、解密；文件格式的转换；输入输出格式的转换。7.应用层应用层是OSI模型的最高层，实现的功能分两大部份，即用户应用进程和系统应用管理进程。系统应用管理进程管理系统资源，如优化分配系统资源和控制资源的使用等。由管理进程向系统各层发出下列要求请求诊断，提交运行报告，收集统计资料和修改控制等。功能规定在不同应用情况下所允许的报文集合和对每个报文所采取的动作。具体内容这一层负责与其它高级功能的通信，如分布式数据库和文件传输。这一层解决了数据传输完整性的问题或与发送／接收设备的速度不匹配的问题。,8.1.4IEEE802标准,IEEE802课题组成立于1980年2月IEEEStandardsProject802，于1981年底提出了IEEE802局域网标准，重要的是对数据链路层又划分出两个子层。IEEE802标准将数据链路层分为逻辑链路控制子层LLC和介质访问存取控制子层MAC。IEEE802为局部网络制定的标准，包括以下内容IEEE802.1系统结构和网络互连；IEEE802.2逻辑链路控制；IEEE802.3CSMA／CD总线访问方法和物理层技术规范；IEEE802.4TokenPassingBus访问方法和物理层技术规范；IEEE802.5TokenPassingRing访问方法和物理层技术规范；IEEE802.6城市网络访问方法和物理层技术规范；IEEE802.7为宽带网络标准；IEEE802.8为光纤网络标准；IEEE802.9为集成声音数据网络。,物理信号层PS完成数据的封装／拆装、数据的发送／接收管理等功能，并通过介质存取部件也称收发器收发数据信号。介质存取控制层MAC支持介质存取，并为逻辑链路控制层提供服务。它支持的介质存取法包括载波检测多路存取／冲突检测CSMA／CD、令牌总线TokenBus和令牌环TokenRing。逻辑链路控制层LLC支持数据链路功能、数据流控制、命令解释及产生响应等，并规定局部网络逻辑链路控制协议LNLLC。此外，网络层也有变化。在IEEE802标准中，定义了三种主要的局域网络技术，它们的介质访问控制分别是CSMA／CDIEEE802．3、令牌总线IEEE802．4、令牌环IEEE802．5。,8.1.5工业网络的性能评价和选型,1.工业网络的性能评价2.工业网络的选型1大型系统的工业网络选型2中小型系统的工业网络选型,1．工业网络的性能评价,1.工业网络的性能评价性能评价指标吞吐能力、稳定性、确定性、可靠性和灵活性。工业网络的主流拓扑结构总线形和环形。令牌环与令牌总线的性能比较传输速率环形是点到点连接，传输效率高；总线形是多点连接，在总线上形成逻辑环，逻辑环不固定，令牌传递和维护算法比环形复杂。吞吐能力令牌环数据吞吐能力高于令牌总线，原因在于控制结构上的差异。令牌总线是广播式，数据、令牌、回答都要独占介质；令牌是顺序循环访问，一定条件下有并行工作的特性，其数据、令牌、回答可同时传递。稳定性在负载变化的环境中，令牌环的稳定性较令牌总线好。确定性两种控制结构的通讯方式一样，确定性相同。灵活性总线是无源连接，信息传输又不需转发，增减结点都无须断开原系统，可靠形和灵活性强于令牌环。,2．工业网络的选型,（1）大型系统的工业网络选型分散型控制模式，分三级分散过程控制级集中操作监控级综合信息管理级（2）中小型系统的工业网络选型,1大型系统的工业网络选型,大型系统常采用分散型控制的模式，系统主要分为三级，并采用纵向层次结构，其网络选型可按以下考虑。①分散过程控制级主要完成自动调节和程序控制，可靠性、实时性要求较高。系统一般按调节回路或设备分布，呈典型递阶控制特性，横向联系少。该级数据量不大，数据包较短，地理分布区域也较小。采用令牌总线、主从总线或星形结构比较合适，从性能价格比考虑，主从总线结构最佳。②集中操作监控级该级数据处理量较大，数据包较长且规整，实时性、可靠性、灵活性也较高。系统一般按设备和功能混合分布，横向联系较多。因此，该级采用令牌总线较好。③综合信息管理级该级数据多且传输量大，系统按功能横向分布，地域范围广，灵活性要求较低，工作站容量大。因此，本级宜采用令牌环结构。,2中小型系统的工业网络选型,主从总线型和星型结构兼有简单、易实现、技术成熟、经济等优点。主要缺陷是分布性不良引起的可靠性问题。分散过程控制级系统大多呈递阶特性，其特征为上下级关系的的主从性，分散度越高，数据少，距离近，环形结构不适合，因此可选取主从总线型和星型结构。对只有集中操作监控级和分散过程控制级的中小型系统两级同时使用令牌总线。对传输量大、结点少且分散的场合监控级直接选用令牌环较好。老企业技术改造星形结构。,8.2分布式控制系统DCS,分布式控制系统DistributedControlSystem-DCS也称集散控制系统。DCS综合了计算机Computer技术、控制Control技术、CRT显示技术、通信Commmunication技术即4C技术，集中了连续控制、批量控制、逻辑顺序控制、数据采集等功能。8.2.1DCS概述8.2.2DCS的分散过程控制级8.2.3DCS的集中操作监控级8.2.4DCS的综合信息管理级,8.2.1DCS概述,DCS的体系结构通常为三级。第一级为分散过程控制级；第二级为集中操作监控级；第三级为综合信息管理级。各级之间由通讯网络连接，级内各装置之间由本级的通讯网络进行通信联系。其典型的DCS体系结构如下图所示。,DCS的发展背景◆第一阶段（1975年1980年）代表产品主要有美国Honeywell公司的TDC2000，Baily公司的Network90，Foxboro公司的Spectrum，日本横河公司的Centum等主要由过程控制单元PCU、数据采集装置DAU、CRT操作站、监控计算机和数据高速公路HW五部分组成,◆第二阶段（1980年1985年）主要代表产品有Honeywell公司的TDC3000，日本横河公司的CentumA，B，D等主要由局部网络LAN、多功能控制器MC、增强型操作站EOS、通用操作站US、网间连接器GW、系统管理模块SMM和主计算机HC七部分组成,◆第三阶段（1985年1990年）DCS向计算机网络控制扩展，将过程控制、监督控制和管理调度进一步结合起来，并且加强断续系统功能，采用专家系统和开放系统互连参考模型为基础的制造自动化协议MAP标准，以及硬件上的诸多新技术，从而克服了自动化孤岛问题典型产品有Honeywell公司的TDCS3000，日本横河公司的Centum-XL，Bailey的INFI-90等,◆第四阶段（1990年以后）DCS以管控一体化出现，在硬件上采用了开放的工作站，采用了Client/Server的结构，在网络结构上增加了工厂信息网，并可与互联网联网，在软件上采用UNIX和X-Windows的图形用户界面，系统的软件更丰富，一些优化和管理良好的界面的软件被开发并移植到DCS中典型产品有Honeywell公司的TPS控制系统，日本横河公司的Centum-CS控制系统，Foxboro公司的I/AS50/51系统等,分散过程控制级面向生产过程功能完成生产过程的数据采集、调节控制、顺序控制等功能，过程输入信息面向传感器信息，如热电偶、热电阻、变送器及开关量等信号，其输出是驱动执行机构。构成这一级的主要装置有①现场控制站工业控制机；②可编程序控制器PLC；③智能调节器；④其它测控装置。,★现场控制站工业控制机主要由机箱（柜）、电源、PC总线工业控制机、通信控制单元、手动、自动显示操作单元等构成其功能主要有6种，即数据采集功能、DDC控制功能、顺序控制功能、信号报警功能、打印报表功能、数据通信功能★智能调节器一种数字化的过程控制仪表，其外表类似于一般的盘装仪表智能调节器不仅可接受4～20mA，DC电流信号输入的设定值，还具有异步通信接口RS－422／485、RS－232等，可与上位机连成主从式通信网络，接受上位机下传的控制参数，并上报各种过程参数,2集中操作监控级（面向操作员和系统工程师）★功能以操作监视为主要任务，兼有部分管理功能。配备计算机及外设，以及相应软件，对生产过程实行高级控制策略、故障诊断、质量评估其具体组成包括①监控计算机；②工程师显示操作站；③操作员显示操作站。★显示工作站主要由键盘、CRT显示器和打印机构成主要是实现和操作员以及工程师有关的系统的功能操作员在运转整个系统时必要的操作功能，工程师为了进行系统的生成和维护时必要的工程师功能,3综合信息管理级★功能实现整个企业的综合信息管理（主要包括生产管理和经营管理）这一级由管理计算机、办公自动化系统、工厂自动化服务系统构成。4通信网络系统实现DCS各级之间的信息传输◆通信网络分类低速、中速、高速◆网络拓扑结构星型、总线型、树型、环型◆网络访问控制方式令牌传送协议、CSMA/CD协议,2.DCS的特点,DCS具有以下几个特点1硬件积木化采用积木化硬件组装式结构，系统配置灵活，方便构成多级控制系统。2软件模块化为用户提供丰富的功能软件，减少用户的开发工作量。功能软件控制软件包、操作显示软件包、报表打印软件包，提供过程控制语言，供用户开发高级应用软件。控制软件包为用户提供各种过程控制功能，主要包括数据采集和处理、控制算法、常用运算式和控制输出等功能模块。操作显示软件包为用户提供了丰富的人机接口联系功能，在CRT和键盘组成的操作站上进行集中操作和监视。报表打印软件向用户提供每小时、班、日、月工作报表，打印瞬时值、累计值、平均值、打印事件报警等。过程控制语言可供用户开发高级应用程序，如最有控制、自适应控制、生产和经营管理等。,3控制系统组态DCS设计使用面向问题的语言（POL），为用户提供了数十种常用的运算和控制模块，控制工程师按照系统的控制方案，任意选择模块，以填表的方式来定义这些软功能模块，进行控制系统组态。4通信网络的应用通信网络是分散型控制系统的神经中枢，实现了相互协调、资源共享的集中管理。通过高速数据线，将现场控制站、局部操作站、监控计算机、中央操作站、管理计算机连接起来，构成多级控制协调。5可靠性高DCS可靠性体现在系统结构、冗余技术、自诊断功能、抗干扰措施和高性能的元件,3.典型的DCS,CENTUM-XL是日本横河电机推出的分散型控制系统，如下图所示。,8.2.2DCS的分散过程控制级,DCS的分散过程控制级直接与生产过程现场的传感器、变送器、执行机构、电气开关相连，完成生产过程控制，并能与集中操作监控级进行数据通信，接收显示操作站下传加载的参数和作业命令，将现场工作情况信息整理后向显示操作站报告。1.现场控制站1现场控制站的构成（PC总线工控机）①机箱柜现场控制站机箱（柜）内部装有多层机架，以供安装电源及各种部件之用。外壳均采用金属材料，活动部分之间有良好的电气连接，使其为内部的电子设备提供电磁屏蔽。②电源高效、无干扰、稳定的供电系统是现场站工作的重要保证。主机供电电源要求与现场检测仪表或执行机构供电的电源在电气上互相隔离，减少相互干扰。③PC总线工业控制机主机、外部设备和过程输入输出通道组成。进行信号采集、控制计算和控制输出。④通信控制单元通信控制单元实现分散过程控制级与集中操作监控级的数据通信。⑤手动/自动显示操作单元作为安全后备措施。,2现场控制站的功能①数据采集功能②DDC控制功能③顺序控制功能通过来自过程状态输入输出信号和反馈控制功能等状态信号，按预先设定的顺序和调节，对控制的各阶段进行逐次控制。④信号报警功能⑤打印报表功能⑥数据通信功能,3现场控制站的工作方式①控制模式自动、软手动、串级、硬手动、上位机控制模式的优先级是硬手动＞软手动＞自动＞串级＞上位机。②无扰动切换操作工作模式的切换，可能会引起输出阈值的突然变化，产生扰动，采取以下措施实现无扰切换。aPV跟踪PV是测量值各种手动模式下，把PV送给给定值，使PVSP，从而保证了偏差为零，输出值不受影响。b阀值跟踪采用阈值反馈的方法，将手动输出阈值自动反馈输入到现场控制站的输入通道，作为一个检测点信号输入，经过转换及变化后送到模拟量输出通道，此时输出的值正好跟踪手动输出的阈值。c工作模式判定自动、手动、串级、上位机等工作模式均有相应的标志状态，以供判断。,2.智能调节器智能调节器是一种数字化的过程控制仪表，由微处理器、RAM、ROM、模拟量和数字量I/O通道、电源等部分构成的一个微型计算机系统。3.可编程序控制器PLCPLC主要配置的是开关量输入、输出通道，用于执行顺序控制功能。,8.2.3DCS的集中操作监控级,DCS的集中操作监控级主要是显示操作站，它完成显示、操作、记录、报警等功能。它还可以进行控制系统的生成、组态。1.显示操作站的构成显示操作站主要由监控计算机、键盘、CRT显示器、打印机等几部分构成。2.显示操作站的功能1操作员功能操作员功能主要是指正常运行时的工艺监视和运行操作，主要由画面指示构成。主要包括DDC标准三画面、图形显示功能、趋势曲线画面、操作指导画面、报警画面。2工程师功能工程师功能主要包括系统的组态功能、系统的控制功能、系统的维护功能、系统的管理功能等。,8.2.4DCS的综合信息管理级,DCS的综合信息管理级实际上是一个管理信息系统ManagementInationSystem,简称MIS，MIS是借助于自动化数据处理手段进行管理的系统。MIS由计算机硬件、软件、数据库、各种规程和人共同组成。1.MIS的基本概念1管理管理工作的六个要素是目标、信息、人员、资金、设备、物资。2信息3系统,2.MIS的组成（1）MIS的硬件组成管理计算机、办公自动化服务系统、工厂自动化服务系统（2）MIS的软件组成①市场经营管理子系统市场经营管理信息子系统一般由计划与市场研究、分配、销售三个部分组成。②生产管理子系统生产管理的职能包括预测、计划、控制三部分。③财务管理子系统④人事管理子系统3.DCS中MIS的功能DCS的综合信息管理级主要由MIS实现生产管理和经营管理。进行市场预测，经济信息分析，原材料库存情况，生产进度，工艺流程及工艺参数，生产统计、报表，进行长期趋势分析，做出生产和经营决策，确保最佳的经济效益。,8.3现场总线Fieldbus控制系统,,现场总线控制系统（FieldbusControlSystem，FCS）是随着控制、计算机、网络、通信和信息集成技术的发展而产生的。现场总线是连接工业过程现场仪表和控制系统之间的全数字化、双向、多站点的串行通讯网络，与控制系统和现场仪表联用，组成现场总线控制系统。8.3.1现场总线概述8.3.2五种典型的现场总线8.3.3FF现场总线技术8.3.4工业以太网,8.3.1现场总线概述,1.现场总线及其体系结构根据国际电工委员会IECInternationalElectrotechnicalCommision标准和现场基金会FFFieldbusFoundation的定义，现场总线的概念一般为一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式、数字化、双向串行、多节点的底层通信总线。,现场总线控制系统由于采用了现场总线设备，能够把原先DCS系统中处于控制室的控制模块、输入输出模块置于现场总线设备，加上现场总线设备具有通信能力，现场的测量变送仪表可以与阀门等执行器直接传送信号，因而控制系统功能能够不依赖控制室的计算机或控制仪表，直接在现场完成，实现了彻底的分散控制。,现场总线的体系结构主要表现在以下六个方面，如上图所示。1现场通信网络用于过程以及制造自动化的现场设备或现场仪表互连的通信网络。2现场设备互连现场设备或现场仪表是指变送器、执行器、服务器和网桥、辅助设备、监控设备等，这些设备通过一对传输线互连（如上图示）。传输线可使用双绞线、同轴电缆、光纤和电源线等，可根据需要因地制宜地选择不同类型的传输介质。3互操作性现场设备互连是基本要求，只有实现互连操作，用户才能自由地集成FCS。现场设备或现场仪表种类繁多，互相连接不同制造商的产品是不可避免的。性能价格比最优的产品，并将其集成在一起，实现“即接即用”;用户希望对不同品牌的现场设备统一组态，构成所需要的控制回路。,4分散功能块FCS摒弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能块分散地分配给现场仪表，从而构成虚拟控制站。功能分散在多台现场仪表中，可